潘文彬，李永濤，張春良，程海濤

（中國(guó)南車(chē)株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007）

鋸齒嚙合橡膠關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)介紹

潘文彬，李永濤，張春良，程海濤

（中國(guó)南車(chē)株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007）

以一種機(jī)車(chē)用軸箱拉桿橡膠關(guān)節(jié)為例，介紹一種鋸齒嚙合橡膠關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于能實(shí)現(xiàn)較小的徑向/軸向剛度比，具有軸向自鎖功能，良好的承載能力，疲勞性能好。

鋸齒嚙合；橡膠關(guān)節(jié)；疲勞性能

金屬—橡膠關(guān)節(jié)產(chǎn)品（簡(jiǎn)稱(chēng)橡膠關(guān)節(jié)）因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能有效地起到柔性連接和減振降噪的作用，且能為系統(tǒng)提供合適的剛度而廣泛應(yīng)用于機(jī)車(chē)車(chē)輛的牽引系統(tǒng)和懸掛系統(tǒng)。常規(guī)的橡膠關(guān)節(jié)產(chǎn)品因受結(jié)構(gòu)限制，其徑向/軸向剛度比（簡(jiǎn)稱(chēng)徑/軸剛度比）一般限于7∶1以上，而在一些特定的場(chǎng)合，如機(jī)車(chē)軸箱定位結(jié)構(gòu)中，由于系統(tǒng)性能的要求，往往需要更小徑/軸剛度比的橡膠關(guān)節(jié)產(chǎn)品，這就需要一種新結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文通過(guò)一種機(jī)車(chē)用軸箱拉桿橡膠關(guān)節(jié)，介紹一種鋸齒嚙合狀能實(shí)現(xiàn)小徑/軸剛度比的橡膠關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。

1 鋸齒嚙合［1］結(jié)構(gòu)的研發(fā)背景

2006年國(guó)內(nèi)研制某重載貨運(yùn)機(jī)車(chē)，該車(chē)軸箱拉桿橡膠關(guān)節(jié)接口尺寸如圖1，要求徑向剛度為195 k N/mm，軸向剛度為57 k N/mm，即要求橡膠關(guān)節(jié)徑/軸剛度比為3.42∶1。

圖1 軸箱拉桿橡膠關(guān)節(jié)示意圖

按其接口尺寸要求，采用傳統(tǒng)的平軸和凸軸結(jié)構(gòu)橡膠關(guān)節(jié)，如圖2、圖3所示，其徑/軸剛度比都在15∶1以上（見(jiàn)表1），不能滿(mǎn)足技術(shù)輸入要求。

圖2 平軸結(jié)構(gòu)橡膠關(guān)節(jié)

圖3 凸軸結(jié)構(gòu)橡膠關(guān)節(jié)

表1 傳統(tǒng)橡膠關(guān)節(jié)徑/軸剛度比

2 鋸齒嚙合橡膠關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的提出

因?yàn)橄鹉z材料具有壓縮模量遠(yuǎn)大于剪切模量的特性［2］，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的橡膠關(guān)節(jié)在承受軸向載荷時(shí)，橡膠主要承受剪切力，尤其是平軸結(jié)構(gòu)幾乎是純剪切力；在受到徑向載荷時(shí)，橡膠材料主要受壓縮力，因而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)橡膠關(guān)節(jié)具有較大的徑/軸剛度比。如果我們改變產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，使其在承受徑向載荷時(shí)橡膠承受一定的剪切力，在承受軸向載荷時(shí)橡膠承受一定的壓縮力，就可以降低徑/軸剛度比。

根據(jù)以上原理，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種軸向組合式橡膠關(guān)節(jié)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。它由左右2個(gè)球鉸和芯軸組成。左右球鉸由外鋼套、內(nèi)鋼套和橡膠彈性體粘合在一起。這種結(jié)構(gòu)的橡膠關(guān)節(jié)徑/軸剛度比可以達(dá)到小于2∶1，但它要求有較大的幾何空間，直徑需達(dá)到φ130以上，而現(xiàn)有產(chǎn)品外徑尺寸為φ80，沒(méi)有足夠的幾何空間。因此按其接口尺寸要求，需設(shè)計(jì)一種新的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)3.42∶1的徑/軸剛度比。

鋸齒嚙合橡膠關(guān)節(jié)由外套、兩瓣隔套、橡膠和芯軸組成（圖5），其中芯軸、兩瓣隔套和橡膠彈性體硫化粘合在一起，再通過(guò)過(guò)盈配合壓入外套得到成品，其特點(diǎn)在于金屬隔套和芯軸呈鋸齒狀，兩者的鋸齒是相互鑲嵌、嚙合在一起的。

圖4 軸向組合式橡膠關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 鋸齒嚙合橡膠關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3 鋸齒嚙合橡膠關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)特性

3.1 鋸齒嚙合橡膠關(guān)節(jié)可靠性高

（1）粘合面積增加提高可靠性

因?yàn)樾据S與兩瓣隔套呈鋸齒狀，該關(guān)節(jié)橡膠與金屬的粘結(jié)面積比平軸結(jié)構(gòu)、凸軸結(jié)構(gòu)大30%～50%，提高了產(chǎn)品的可靠性。

（2）具有軸向自鎖功能提高可靠性

從圖5可以看出，芯軸鋸齒外徑要比隔套鋸齒內(nèi)徑大，是一種軸向過(guò)盈的裝配方式，具有軸向自鎖功能，可以確保在橡膠出現(xiàn)裂紋甚至破壞的情況下芯軸也不會(huì)從隔套中脫離而造成事故，提高了產(chǎn)品的可靠性。

3.2 鋸齒嚙合橡膠關(guān)節(jié)徑/軸剛度比小

鋸齒嚙合橡膠關(guān)節(jié)通過(guò)鋸齒相互鑲嵌、嚙合在一起，因此在其承受軸向載荷時(shí)，橡膠也受到一定的壓縮力，具有較大的軸向剛度；在承受徑向載荷時(shí)，橡膠也承受一定的剪切力，具有相對(duì)較小的徑向剛度及較小的徑/軸剛度比。

3.3 鋸齒嚙合結(jié)構(gòu)徑/軸剛度比調(diào)節(jié)范圍廣

通過(guò)調(diào)節(jié)鋸齒齒數(shù)、鋸齒嚙合長(zhǎng)度L（圖6）可以有效的調(diào)節(jié)橡膠關(guān)節(jié)的徑/軸剛度比。為研究鋸齒嚙合結(jié)構(gòu)的剛度特性，本文以有限元技術(shù)為手段，以鋸齒齒數(shù)、鋸齒嚙合長(zhǎng)度L為優(yōu)化對(duì)象，探討鋸齒嚙合橡膠關(guān)節(jié)的剛度特性。

由于受到安裝尺寸的限制，鋸齒嚙合橡膠關(guān)節(jié)外徑一般為φ80～φ100，外套長(zhǎng)度一般為100～140，因此可以布置的齒數(shù)2～6個(gè)不等，嚙合長(zhǎng)度2～8 mm不等。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，一般隨著鋸齒齒數(shù)的增加，徑/軸剛度比大幅下降；隨著鋸齒嚙合長(zhǎng)度的增加，徑/軸剛度比適當(dāng)下降。從圖7、圖8可以看出鋸齒嚙合橡膠關(guān)節(jié)徑/軸剛度比可以達(dá)到3∶1～2.5∶1，調(diào)節(jié)范圍廣。

圖6 嚙合長(zhǎng)度L示意圖

圖7 鋸齒齒數(shù)對(duì)橡膠關(guān)節(jié)徑/軸剛度比的影響

圖8 嚙合長(zhǎng)度對(duì)橡膠關(guān)節(jié)徑/軸剛度比的影響

4 鋸齒嚙合橡膠關(guān)節(jié)試驗(yàn)驗(yàn)證

用于重載貨運(yùn)機(jī)車(chē)的軸箱拉桿關(guān)節(jié)，受力工況較為復(fù)雜，需為機(jī)車(chē)運(yùn)行提供合適的縱向剛度和橫向剛度，還需確保在重載牽引下產(chǎn)品的可靠性［3］，因此產(chǎn)品的試驗(yàn)內(nèi)容包括靜態(tài)剛度試驗(yàn)及疲勞試驗(yàn)。

表2為鋸齒嚙合橡膠關(guān)節(jié)靜態(tài)剛度試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，可以滿(mǎn)足靜態(tài)剛度的要求，徑/軸剛度比可以達(dá)到3.57∶1，同時(shí)產(chǎn)品還能滿(mǎn)足高偏轉(zhuǎn)剛度的設(shè)計(jì)要求。

表2 鋸齒型橡膠關(guān)節(jié)各向剛度試驗(yàn)驗(yàn)證

為了更有效的驗(yàn)證產(chǎn)品的可靠性，疲勞試驗(yàn)?zāi)M軸箱拉桿系統(tǒng)進(jìn)行（圖9），在橫向、垂向施加疲勞載荷，疲勞加載方式見(jiàn)圖10，疲勞試驗(yàn)條件見(jiàn)表3。產(chǎn)品通過(guò)高達(dá)100萬(wàn)次的強(qiáng)化疲勞試驗(yàn)，外觀(guān)良好，無(wú)橡膠與金屬剝離及橡膠本體開(kāi)裂現(xiàn)象，各向剛度變化率都小于15%，驗(yàn)證了鋸齒嚙合橡膠關(guān)節(jié)的可靠性及優(yōu)良的承載能力。

圖9 疲勞試驗(yàn)安裝示意圖

圖10 軸箱拉桿橡膠關(guān)節(jié)疲勞加載方式

表3 軸箱拉桿橡膠關(guān)節(jié)疲勞試驗(yàn)條件

5 裝車(chē)使用情況

鋸齒嚙合橡膠關(guān)節(jié)用于該型重載貨運(yùn)機(jī)車(chē)，累計(jì)裝車(chē)超過(guò)170臺(tái)份，產(chǎn)品數(shù)量超過(guò)10 000件，在線(xiàn)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)5年，情況良好，可靠性高，能出色的承擔(dān)重載貨運(yùn)牽引的任務(wù)。

6 鋸齒嚙合結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的應(yīng)用推廣

鑒于該型產(chǎn)品結(jié)構(gòu)精巧，能在較小的幾何空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)小的徑/軸剛度比，可靠性高，值得推廣。株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司在此產(chǎn)品成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出多種新型號(hào)，使其得到推廣應(yīng)用。

7 結(jié)束語(yǔ)

鋸齒嚙合結(jié)構(gòu)能在較小的幾何空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)小的徑/軸剛度比，其徑/軸剛度比可以達(dá)到3∶1～2.5∶1，特別適合機(jī)車(chē)車(chē)輛轉(zhuǎn)向架軸箱拉桿等要求小的徑/軸剛度比的場(chǎng)合。

鋸齒嚙合橡膠關(guān)節(jié)具有較高的可靠性。與傳統(tǒng)橡膠關(guān)節(jié)相比，粘結(jié)面積大幅提高，且具有軸向自鎖功能，能避免產(chǎn)品因橡膠破壞問(wèn)題而發(fā)生芯軸竄出的安全事故。

通過(guò)疲勞試驗(yàn)和運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)證明鋸齒嚙合橡膠關(guān)節(jié)具有良好的承載能力及較好的疲勞特性；鋸齒嚙合結(jié)構(gòu)是一種值得推廣的橡膠球鉸結(jié)構(gòu)。

［1］ 唐先賀，張春良，郭紅鋒，楊 軍.大功率交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)橡膠彈性元件［J］.機(jī)車(chē)電傳動(dòng)，2008，（3）：27-30.

［2］ 龔積球，龔震震，趙熙雍.橡膠件的工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2003.

［3］ 張春良，許呈祥，唐先賀.SS7E機(jī)車(chē)新軸箱拉桿設(shè)計(jì)［J］.機(jī)車(chē)電傳動(dòng)，2012，（2）：18-21.

Introduction of Serration Meshed Rubber Bushing

PAN Wenbin，LI Yongtao，ZHANG Chunliang，CHENG Haitao

（Zhuzhou Times New Material Technology Co.，Ltd.，CSR，Zhuzhou 412007 Hunan，China）

Taking a locomotive Rod Rubber Bushing for instance，a serration meshed Rubber Bushing was introduced.Structure of serration meshed with self-locking function was proved to have low radial/axial stiffness matching，which has better load carrying capacity and fatigue performance.

serration meshed；Rubber Bushing；fatigue performance

U260.6＋7

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.03.08

1008－7842（2014）03－0032－03

1—）男，工程師（

2013－11－29）